1.17. Капиллярные явления

Добавочное давление (43) обусловливает изменение уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), вследствие чего называется иногда капиллярным давлением.

Существование краевого угла приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В узкой трубке (капилляре) или в узком зазоре между двумя стенками искривленной оказывается вся поверхность. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает — выпуклую (рис. 23). Такого рода изогнутые поверхности жидкости называются менисками.

Рис. 23. Образование мениска в капилляре

Если капилляр погрузить одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то под искривленной поверхностью в капилляре давление будет отличаться от давления под плоской поверхностью в широком сосуде на величину Δр, определяемую формулой (43). В результате при смачивании капилляра уровень жидкости в нем будет выше, чем в сосуде, при несмачивании — ниже.

Изменение высоты уровня жидкости в узких трубках или зазорах получило название капиллярности. В широком смысле под капиллярными явлениями понимают все явления, обусловленные существованием поверхностного натяжения. В частности, обусловленное поверхностным натяжением давление (43) называют, как уже отмечалось, капиллярным давлением.

Между жидкостью в капилляре и широком сосуде устанавливается такая разность уровней h, чтобы гидростатическое давление pgh уравновешивало капиллярное давление Δp:

(44)

В этой формуле α – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ, R – радиус кривизны мениска.

Радиус кривизны мениска R можно выразить через краевой угол θ и радиус капилляра r. В самом деле, из рис. 23 видно, что R = r/cos θ. Подставив это значение в (44) и разрешив получившееся уравнение относительно h, приходим к формуле

(45)

В соответствии с тем, что смачивающая жидкость поднимается по капилляру, а несмачивающая — опускается, формула (45) дает в случае θ < π/2 (cosθ > 0) положительные h и в случае θ > π/2 (cosθ < 0) отрицательные h.

Если сложить вместе две отшлифованные смоченные пластинки, то между ними возникает заметная сила сцепления. Это явление имеет следующее объяснение. Поверхность жидкости в зазоре между пластинками сильно искривлена. Следовательно, давление внутри жидкости будет меньше атмосферного на величину

При полном смачивании R₁ = d/2, где d — величина зазора между пластинками. Радиус R₂ сечения плоскостью, параллельной пластинкам, значительно больше, чем R₁. Поэтому можно положить

Если величина смоченной жидкостью поверхности каждой пластинки равна S, то пластинки будут прижиматься друг к другу с силой, равной

(46)

Величина зазора между пластинками определяется размерами шероховатостей на их поверхностях. При зазоре порядка 1 мк и пластинках, смоченных водой, Δр получается порядка 1 ат, так что, если пластинки имеют размеры 10 X 10 см, то сила сцепления между ними может достигать 100 кГ.

В случае, когда между пластинками находится прослойка из несмачивающей их жидкости, возникает сила, расталкивающая пластинки. Величина этой силы также определяется выражением (46).